数控技术与装备概述

数控技术

浙江师范大学

交通学院

二00八年前言一、本课程性质等二、为什么要学习本课程三、本课程要求四、本课程目的课程性质：重要专业课课程学时：30（讲授学时：26；实验学时：4）周学时：2教材：郑堤主编.数控机床与编程.机械工业出版社，2005参考书：朱晓春主编.《数控技术》.机械工业出版社，2006

李恩林主编.《数控技术应用自学读本》.机械工业出版社，2006

授课方式：课堂教学+实验+作业考核方式：期末考试（80%）+平时（出勤、答疑、实验、作业）（20%）一、本课程性质等是先进制造技术内容之一是制造装备数字化的主要内容是柔性自动化的基础数控机床是典型的机电一体化产品数控机床的应用越来越普及数控机床应用人才需求量大且迫切数控技术适用领域广泛是机械工程领域的人才必备的专业知识二、为什么要学习本课程？

蓝领：机床操作

银领（灰领）：工艺设计与编程，维修，数控改造

金领（白领）：管理金领银领蓝领社会急需的数控加工人才类型：三、本课程要求要求不缺课，认真听课，课前预习，课后复习认真实验，按时独立完成作业，积极参加课堂讨论有问题及时答疑并反馈信息广泛查阅参考资料充分利用实验室的开放条件真正学到知识和本领。四、本课程目的掌握数控技术的基本原理、数控机床的组成、工作原理及特点了解数控技术的发展历史、现状与趋势了解数控装置的构成、工作原理及性能特点掌握数控机床机械系统的结构、性能特点及设计计算方法掌握数控机床手工编程方法，能够编制较简单零件的数控加工程序了解数控机床计算机辅助编程方法了解数控机床的选用、购置、维护与管理第一章绪论第一节数控技术基本概念与原理第二节数控机床第三节数控机床的发展本章要求了解并掌握数控技术基本原理；了解并掌握数控机床的组成、工作原理、分类与特点；掌握数控机床坐标系及其命名方法；了解数控机床的发展历史与发展趋势。第一节数控技术基本概念与原理数字控制技术，简称数控技术（NC）：采用数字指令信号对机电产品或设备进行控制的一种自动控制技术。数控技术与传统的设备自动控制技术的显著区别：坐标控制——采用数字指令信号对设备的运动部件的坐标运动进行控制。ZYX数控技术的基基本原理将被控设备末末端执行部件件的运动（或或多个末端执执行部件的合合成运动）纳入到适当的坐标标系中，将所所要求的复杂杂运动分解成各坐标轴的的简单直线运运动或回转运运动，并用一一个满足精度度要求的基本长度单位位（BasicLengthUnit，BLU）对各坐标轴进进行离散化，由电子控控制装置（即即数控装置））按数控程序序规定的运动动控制规律产产生与基本长长度单位对应应的数字指令令脉冲对各坐标轴的的运动进行控控制，并通过过伺服执行元元件加以驱动，从而实现所所要求的复杂杂运动。几个基本概念念插补：插补是数控技技术的核心。插补装置的的功用是将期期望的设备运运动轨迹沿各各坐标轴微分分成基本长度度单位，并转转换成可控制制各坐标轴运运动的一系列列数字指令脉脉冲。驱动：将插补装置输输出的数字指指令脉冲进行行转换与放大大，驱动执行行元件，实现现由数字指令令脉冲序列规规定的坐标运运动，并最终终由各坐标运运动合成所期望的运动动轨迹。功率放大伺服电动机传动机构工作台指令脉冲脉冲当量：对应于插补装装置输出的每每一个数字指令脉冲冲，伺服驱动系系统末端执行行部件所实现现的理论位移被称为脉冲当当量，它是系系统所能控制制的最小位移移，又称系统统的控制分辨率，一般取为基基本长度单位位（BLU）。BLUNC与CNCNC——早期采用硬件件数字电路实实现的数控。。CNC——现代采用微型型计算机实现现的数控，称称计算机数字字控制技术，，简称计算机机数控（ComputerNumericalControl，CNC）。CNC是先进制造技技术或生产模模式的基础，，是现代制造造业的基础柔性自动化（（FMS）计算机集成制制造（CIM）智能制造（IM）敏捷制造（AM）虚拟制造（VM）……第二节数控机床一、数控机床床的组成与工工作原理程序编制数控装置检测反馈系统机床本体伺服驱动系统图样产品强电控制系统毛坯数控系统二、数控机床床的分类1.按数控控机床的加工工工艺分类数控车床数控铣床加工中心机床床：具有自动动换刀功能，，工序集中，，可一次装夹夹连续自动地地完成铣削、、钻削、镗削削、铰孔、扩扩孔、攻丝等等多道工序的的加工。数控钻床数控磨床数控镗床数控剪板机数控折弯机数控电加工机机床数控三坐标测测量机数控车床数控车削中心心数控立式倒置置主轴车床数控立式车床床立式加工中心心机床卧式加工中心心机床数控磨床数控冲床数控激光切割割机床三维数控激光加工机床床数控滚齿机数控折弯机电火花成型机机床数控线切割机机床三坐标测量机机2.按数控控机床运动轨轨迹控制方式式分类点位控制数控控机床连续控制数控控机床（轮廓廓控制数控机机床）XZY3.按伺服服系统控制方方式分类开环控制数控控机床数控装置步进电动机机床工作台闭环控制数控控机床数控装置伺服马达机床工作台位置检测器半闭环控制数数控机床数控装置伺服马达位置检测器机床工作台位置检测器4.按数控控机床功能强强弱分类经济型数控机机床——简易易数控，脉冲冲当量：0.001-0.01mm全功能数控机机床——普及型数控机机床，脉冲当当量：0.1-1μm高档型数控机机床——五轴轴以上联动控控制、高度柔柔性、超高速速、超精密,脉冲当量：：<0.1μm5.按控制制联动坐标轴轴数分类二坐标数控机机床主要用于于加工二维平平面轮廓；三坐标数控机机床主要用于于加工三维立立体轮廓；四坐标和五坐坐标数控机床床主要用于加加工空间复杂杂曲面或一些些高精度、难难加工的特殊殊型面。三、数控机床床的特点自动化程度高高加工精度高生产率高对工件的适应应性强有利于生产管管理信息化四、数控机床床坐标系数控机床最重重要的功能是是坐标控制功功能。数控机床坐标标系是设计、、制造和使用用数控机床的的基础。有关数控机床床坐标系的国国际标准：ISO841—1974JB/T3051—1999《数控机床坐标标和运动方向向的命名》1．数控机床床坐标系采用右手笛卡卡儿直角坐标标系：坐标轴X、Y、Z的正向采用右右手定则确定定坐标轴A、B、C的正向采用右右手螺旋定则则确定通常在命名数数控机床坐标标系时，总是是假定工件不不动，刀具相相对于工件运运动，则坐标标系用XYZABC表达；若刀具不动，，工件相对于于刀具运动，，则相应的坐坐标系用X′Y′Z′A′B′C′来表达。两种坐标系中中的正运动方方向正好相反反。几种坐标系机床坐标系：：机床上固有的的坐标系，并并设有固定的的坐标原点，，称机床零点点或机械零点点；由数控机床制制造商提供，，机床出厂时时该坐标系就就已确定，用用户不能轻易易修改；与机床的位置置检测系统相相对应，是数数控机床的基基准；机床每次上电电开机后，应应首先使运动动部件返回机机床零点，对对机床坐标系系进行校准。。工件坐标系是为编程和加加工方便由编编程人员在编编制零件数控控加工程序时时设置的，可可以任意设置置；不同的零件或或不同的编程程人员可以根根据习惯或工工艺特点而采采用不同的工工件坐标系；；采用工件坐标标系进行编程程时，可以不不考虑加工时时所采用的具具体机床的坐坐标系及工件件在机床上的的装夹位置，，为编程人员员带来很大方方便。YY1OO1XX1工件坐标系偏置工件坐标系机床坐标系绝对坐标系和和相对坐标系系绝对坐标系是是指刀具运动动轨迹上所有点的坐标值均从某一固定坐坐标原点计量量的坐标系；；相对坐标系（（又称增量坐坐标系）是指指刀具运动轨轨迹的终点坐标是相对于于起点计量的坐标系系；绝对坐标系和和相对坐标系系可通过标准准数控代码G90（绝对坐标指令令代码）和G91（相对坐标指令令代码）进行行转换。OO1X1YXABY130123515附加坐标系机床在主坐标标系XYZABC的坐标运动之之外还有与之之平行的坐标标运动，构成成附加坐标系系UVWPQR；附加坐标系一一般仅在大型型数控机床上上会出现。2．数控机床坐坐标轴的确定定Z轴及其方向有主轴机床（（车、铣、钻钻镗等），Z轴与主轴轴线线平行；无主轴机床（（刨、插等）），或多主轴轴机床（龙门门式轮廓铣床床等），Z轴与工件装夹夹面（即工作作台面）的法法线平行。使刀具远离工工件或使工件件尺寸增大的的运动方向为为Z轴的正方向。。X轴及其方向一般位于与主主轴轴线垂直直或与工件装装夹面平行的的水平面内。。在工件旋转的的机床上，如如车床等，X轴垂直于主轴轴轴线且平行行于横向滑板板，使刀具远远离工件或使使工件尺寸增增大的运动方方向为X轴的正方向。。在刀具旋转的的机床上若主轴是水平平的，如卧式式铣床等，则则逆着Z轴正向由刀具具（主轴）向向工件看，X轴的正向指向向右边；若主轴是垂直直的，如立式式铣床等，则则由刀具向立立柱看，X轴的正向指向向右边。Y轴及其方向Y轴及其方向可可在已经确定定好Z轴和X轴的基础上，，按右手定则则来确定。ZX卧式数控车床床坐标系+X+ZXYZZXY第三节数控机床的发发展一、数控机床床发展简史1948年，，美国人JohnParsons提出设想；1952年，，试制成功世界界上第一台数数控机床；1952~1959：第一代电子子管数控系统统；1959~1965：第第二代晶体管管数控系统；；1965~1970：第第三代集成电电路数控系统统；1970~1974：第第四代大规模模集成电路及及小型通用计算算机数控系统统；1974~：：第五代微型计计算机数控系系统；20世纪末~：第六代基于PC的数控系统。第一阶段NC第二阶段CNC柔性自动化体积减小，功功能性能提高高数控机床布局局数控机床结构构数控机床传动动机构主传动进给传动导向机构数控机床造型型数控机床功能能数控机床性能能随着数控技术术的发展，对对机械系统要要求越来越高高，促使精密密机械技术得得到了快速的的发展我国数控机床床发展的三个个阶段第一阶段：1958-1979，封闭式发展阶阶段第二阶段：““六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，引进技术，消消化吸收，初初步建立起国国产化体系阶阶段第三阶段：““八五”后期和“九五”期间，实施产业化的的研究，进入入市场竞争阶阶段目前前：：国产数控机床床的国内市场场占有率达50％，配置的国国产数控系统统（普及型））也达到了10％；数控机床床的普及率迅迅速提高，数数控机床拥有有率目前已接接近3%二、数控机床床发展趋势智能化：与人工智能相相结合；模糊糊控制、学习习控制、自适适应控制、运运动参数动态态补偿、自动动识别负载并并自动优化调调整参数、自自诊断和故障障监控专家系系统；更好地地实现对人类类智力的延伸伸。开放化：基于PC，硬件、软件和和总线规范均均对外开放，便于系统集集成和二次开开发，使数控系统具具有更好的通通用性、柔性性、适应性、、扩展性。网络化：企业底层生产产控制系统的的集成更加简简便有效；促进企业间的的合作与资源源共享；使制造商能够够通过计算机机网络为用户户提供远程故故障诊断、维维修、技术咨咨询等服务。。高速化：充分发挥现代代刀具材料的的性能，大幅幅度提高加工工效率、降低低加工成本，，提高零件的的表面加工质质量和精度，，适应制造业业对高效、优优质、低成本本生产的广泛泛需求；目前，电主轴转速可可达15,000～100,000r/min、进给运动部件件快移速度达达60～120m/min，切削进给速度度达60m/min。。精密化：近10多年来来，普通级数数控机床的加加工精度已由由±10μm提高到±5μm，精密级加工中中心的加工精精度则从±3～5μm提高到±1～～1.5μm，超精密数控机机床加工精度度已开始进入入纳米级(0.01μm)。复合化：工序高度集中中，减少工序序间转换时间间；5轴联动动5面加工数数控机床是典典型的复合化化数控机床；；数控五面加加